RSD的结构和工作机理详解

图4-4为单个RSD的基本结构。它是P^＋-N-P-N^＋四层结构的晶闸管类型的半导体器件，但与晶闸管不同，它没有门极，是二端器件。RSD结构中包含数万个相间排列的晶闸管单元和晶体管单元，每个小单元的尺寸小于器件N基区厚度。各部分共有的集电结J₂阻断外加正向电压，此外还共有阴极侧J₃结，这个结由阴极高掺杂的N^＋层（＞10²⁰cm^-3）与次高掺杂（约10¹⁸／cm^-3）的P层构成。

图4-4 RSD的结构示意图

图4-5表示了RSD的工作电路，由预充回路和主回路两部分组成。由于RSD工作时接入预充电流和主电流的电极具有几何上合并的特点，原理上必须在预充阶段将预充回路和主回路实行电解耦，这里用一可饱和磁开关MS来实现，它同时起到隔离和提高开通速度的作用。当预充回路未接通（S断开）时，由于集电结（J₂结）反偏，RSD不会开通。RSD的开通过程就是N基区宽度内电导调制的过程，具体可以分为预充和导通两个阶段来分析。开通过程中RSD的N基区内等离子体的分布情况如图4-6所示。按照借助可控等离子层换流的原理，RSD被触发后以“准二极管模式”开通。

图4-5 RSD的工作电路原理图

图4-6a表示预充过程。t＝0时刻预充回路开关S闭合，反向预充电压U₂加在RSD上，此时磁开关MS未饱和，晶体管单元的N^＋P低压结J₃被击穿，预充电流J_R（t）流过内含的PNN^＋二极管结构。P基区空穴经过正偏的集电结J₂注入到N区，对应地，电子由N^＋区流入N区，结果在集电结附近N区一侧形成一浓度梯度很高的薄等离子层P₁。P₁等离子层中的空穴向N＋区方向漂移，经过数十纳秒，t＝t₁时刻反向等离子体波P_r的前沿ξ_r到达N^＋区附近，并形成第二个等离子层P₂。通常预充电流脉冲持续约2μs，这个过程中约75％的等离子体聚集在靠近集电极的P₁层中。由于晶体管层与晶闸管层同RSD的N基区尺寸相比非常小，故可以认为晶闸管部分等离子体层的分布情况与晶体管部分几乎相同。

图4-6 开通过程RSD结构中的等离子体分布

a）预充过程 b）开通过程

图4-6b表示开通过程。t＝t_R时刻磁开关MS饱和，主回路电压U₁加在RSD上，晶闸管单元开始其开通过程。空穴从等离子层P₁注入P基区，引起阴极侧N＋发射区迎面的电子注入，同时反向波P_r开始返回，空穴从阳极P^＋发射区注入到P₂等离子层，正向双极等离子体波P_f向集电结J₂方向运动，t＝t₂时刻，正向波P_f和反向波P_r的交界ξ_f到达P₁。由于补充作用，这个过程中P₁等离子体层几乎没有被消耗，形成了一个可源源不断地提供等离子体的等离子库，此过程得以维持，RSD全面积同步开通，没有导通的局部化现象，流过很大的正向电流J_F（t）。需要指出的是，虽然进行开关过程的只有晶闸管单元，但由于晶体管单元的宽度比N基区及其中少数载流流子的扩散长度小得多，这些单元的N基区也被等离子体填充，参与导电，所以没有损失工作面积。

1.等离子体双极漂移方程的导出

在微秒范围内，N基区宽度内电导调制的基本机理就是在本质上为中间注入水平及不破坏体内电中性条件下的双极漂移。N基区内的电子和空穴的漂移速度可以达到10⁶cm／s，渡越时间在数十纳秒的范围内，而该处的载流子寿命都有几或几十微秒，所以在N基区的漂移距离内可以不考虑复合作用。

考虑一维情况，建立图4-6所示的坐标系，x零点设在集电结截面处，空穴电流密度和电子电流密度分别可以表示为

式中，μ_n、μ_p分别为电子、空穴的迁移率；n₀、p₀分别为平衡载流子浓度；n、p为非平衡载流子浓度；U为热电压，U_t＝kT／q。

又由连续性方程有

忽略复合项，并展开即得

只保留与电场相关的漂移项即得

由于大注入条件下，注入基区的少数载流子浓度接近甚至超过了基区多数载流子的平衡浓度，为了维持电中性，基区将有大量的多数载流子积累并维持与少数载流子相同的浓度梯度，所以有p（x，t）＝n（x，t），∂p（x，t）／∂t＝∂n（x，t）／∂t。将式（4-1）两边同时乘以μ_n，式（4-2）两边同时乘以μ_p，然后相加得到

设b＝μ_n／μ_p，则

假定电流主要是欧姆电流，J与x无关，J＝σE，则

式中，N_d＝n₀-p₀≈n₀，所以

将式（4-4）代入式（4-3）得

式（4-5）即为仅考虑了漂移电流作用的等离子体双极漂移方程。

2.预充暂态过程分析

预充过程是由等离子体对高阻区N层作双向注入来实现的，前已述及，RSD阴极侧P-N^＋结是低压结，在反向预充电压的作用下，这个结被击穿，预充电流流过RSD中内含的P-N-N^＋二极管结构，所以这一预充过程可等效为一个二极管电导调制的漂移模型，并可用式（4-5）所示的等离子体双极漂移方程来描述。以反向等离子体波P_r的前沿ξ_r到达N^＋区附近的时刻（t＝t₁）为分界点，预充过程在时间上又可以分为两段来考虑。

在t＝0时，式（4-5）的初始条件可表示为

p（x，0）＝0 （4-6）

与稳态情况一样，非稳态注入过程主要受注入非基本载流子边界附近的电场分布控制，而与注入基本载流子一侧边界的过程无关，所以此处只要给定RSD的P基区附近浓度即可。在扩散等离子层P₁中的电场只有漂移区中的电场的几分之一，因而有

由初始条件式（4-6）和边界条件式（4-7）解式（4-5），得到特殊解如下：

式中，Q（t）＝∫^t₀J_Rdt。

由式（4-8）确定了N基区电导率的表达式为(www.xing528.com)

则可计算双极漂移区中的电场分布

反向波P_r前沿ξ_r的移动速度决定于它前面的电场中空穴的迁移率，而电场决定于J_R（t）的瞬时值及未调制区段的电导。设v_ϕ为ξ_r的移动速度，则

式中，Q_N为N基区中的施主杂质表面密度，Q_N＝qN_dW_n。

前沿ξ_r的瞬时位置通过对式（4-9）求积分得到，用时变电荷表示如下：

在0＜t＜t₁时段内，等离子体尚未充满整个N基区，对未调制区段以及由调制波占据的区段的电场进行积分，可得如下基区电压表达式：

t₁时刻反向波前沿到达N^＋区，即ξ_r＝W_N，形成第二个等离子层P₂，此时满足W_NQ（t）／（bQ_N）＝W_N，所以Q（t）＝bQ_N。当t≥t₁时，等离子体波充满N基区，基区电压表达式为

考察总存储电荷的逐层分布，计算调制波中的电流成分，该成分决定了基区所选截面的局部电导。记电子电流、空穴电流占总电流的比例分别为γ_n、γ_p，则

3.导通暂态过程分析

t＝t_R时刻预充过程结束，在晶体管单元中形成了图4-6a所示的等离子体分布，相同的分布也出现在与之并排布置的晶闸管单元中，磁开关的铁心饱和，停止隔离主回路和预充回路，器件偏置符号重新改变，开始晶闸管单元的导通过程。

在电压反向的瞬间，在各晶闸管单元的N基区中都存在着预充电荷，此电荷分布在等离子层P₁、P₂以及沿双极漂移波P_r的各处。当主电流脉冲流过时，P₂层继续得到等离子体补充，来源之一是原先存储在P₁和P_r中电子随电场的再分布，其次则由晶闸管单元的P^＋发射区注入。P₁层将层中的空穴输给RSD的P基区，引起N^＋发射区电子的迎面注入。在集电极前等离子层P₁中的电荷平衡在电流流通阶段初期总是负的，只有在后来随阴极侧等效晶体管中注入作用的发展才逐渐变为正。

P₁层剩余等离子体的浓度对于RSD导通过程的稳定性具有决定性的影响。因为P₁层的耗尽会带来集电结的反偏和器件上电压的迅速上升，此后的导通过程将受制于具有局部化倾向的普通晶闸管机理。所以为了获得大电流的均匀换流，必须具有足够高的预充水平，以便使P₁等离子层与P基区等形成一个不会耗尽的等离子库。这个库在二极管中起着阴极侧射极的作用，并且这种导通状态可视为准二极管状态。

双极漂移波的行为相对于电流的方向是可逆的，所以当阳极电流的方向由反向变为正向时，原有反向波P_r剖面上的所有点，包括P₂层边界上的靠边点，都开始完成反方向运动。与此同时，等离子层P₂向正在形成的区段注入正向调制波P_f，以正向波P_f和反向波P_r的交界ξ_f到达集电结附近的时刻（t＝t₂）为分界点，导通过程在时间上也可以分为两段来考虑。

式（4-5）对描述正向波P_f的行为仍然适用，边界条件为

P_f（W_N，t＞t_R）→∞

后退的反向波P_r的浓度分布仍按式（4-8），其中Q（t）为

则在t_R≤t＜t₂阶段等离子体浓度分区间表示为

则可得到基区的电场和电压分布为

式中，Q_R为单位面积的预充电荷量，。

这里交界ξ_f将向等离子层P₁的方向退去，且该点具有最低浓度，此浓度等于当x＝W_n及t＝t_R时P_r波中的等离子体浓度，即

从而

当P_f点返回P₁层边界的瞬间，该处将形成浓度的扩散式跃变及电场中断，这一瞬间t＝t₂可由如下条件求得：

当t≥t₂，N基区中的电荷分布的进一步动态变化只由正向波P_f根据上述P_f（x，t）和E_f表达式进行控制，基区电压表达式为

下面分析空穴电流占总电流比例。当t_R≤t＜t₂，在区域0＜x＜ξ_f，有

在区域ξ_f≤x＜W_N，有